JP3194570B2 - 発振開始時の発振特性を改良した発振器と発振方法 - Google Patents

発振開始時の発振特性を改良した発振器と発振方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発振器に関し、特
にスタートアップ時の信頼性を向上させた発振器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】発振器の設計においての重要なファクタ
は、発振の開始の容易性である。ある種の発振器はこの
点に関し、発振器の特性がドライブレベルに関連して変
化してしまうために重要な問題を有している。例えば、
水晶系の発振器においては、この発振器に用いられる共
振器の有効抵抗は、低いパワーレベルの時の方が高いパ
ワーレベルの時よりも大きくなる。この駆動レベルに影
響される共振器は、パワーが入力され発振器がターンオ
ンする間、最低のパワーレベルしか入力されない。この
ような、駆動レベルに影響される共振器を有する発振器
は、パワーが入力されたときにスタートしないこともあ
る。その理由は発振器回路がスタートアップ時に経験す
る低いパワーレベルで見られる大きな共振器抵抗を克服
できないからである。この影響は、時間により変動す
る。例えば、駆動レベルに影響される共振器を有する発
振器は、スタートすることもあるが、スタートしないこ
ともある。例えばこのようなスタートアップ時の問題
は、発振器の業界においては古くからの解決しなければ
ならない問題であり、多くの努力が駆動レベルに影響さ
れる発振器に関連する問題を解決するためになされてき
た。今日まで発振器回路の駆動レベルに影響される共振
器に関連する問題を引き起こす原因を取り除く技術は、
開発されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、駆動レベルに影響を受ける共振器を有する発振器
において、スタートアップ時にも安定してスタートでき
る発振器を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、電圧制
御可能な水晶発振器のような発振器のゲインをスタート
アップ時に増加させることにより、適量のパワーが発振
器に加えられたときに発振をうまく誘起できる。電圧制
御水晶発振器の場合には、この発振器回路のゲインは、
発振器の出力周波数を設定するために用いられるユーザ
により入力される制御電圧により大きく影響される。一
般的にユーザは、発振器のスタートアップ時の間、発振
器が最低のゲインを有するような信号レベルを制御入力
に印加する。本発明によれば、ユーザが供給する制御電
圧信号レベルとは無関係に最大可能な発振器ゲインが得
られるように発振器を強制的にターンオンする事により
ターンオンの信頼性を増加させる。このような発振器に
付属する本発明の回路は、パワーアップ後の発振器の出
力の定状状態の発振を検出し、この回路により発振器は
一旦発振が開始した後はユーザが入力した信号に従って
セットされる。共振器へのパワーレベルはもはや低くは
ないので、そのときの抵抗は、非常に低く、発振器は、
ユーザが入力した制御電圧入力の全範囲に亘って信頼性
よく動作することになる。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による電圧制御発
振器のブロック図で、この発振器は発振器増幅器１０と
共振器部分とを有し、この共振器部分は、可変キャパシ
タンス（バラクタ）１４と直列に接続されたピエゾ電子
水晶結晶性の共鳴素子１２とから成る。この共鳴素子１
２とバラクタ１４の直列結合は、発振器増幅器１０のリ
ード１６に接続されている。この共鳴素子１２とバラク
タ１４の直列接続のインピーダンスと発振器増幅器１０
の入力インピーダンスとは、図１の回路の発振周波数を
決定する。ユーザが指定した周波数制御信号のレベル
は、バラクタ１４のキャパシタンスを増幅器２２を介し
て決定し、かくして図１の回路の発振周波数を決定す
る。このような電圧制御発振器の例が米国特許第４，８
５３，６５５号と第４，８８７，０５３号に開示されて
いる。バラクタの例が米国特許第４，９７３，９２２号
に開示されている。
【０００６】このような電圧制御発振器において、信頼
性高く発振を誘起することはやさしいことではない。本
発明によれば、その理由は発振器はスタートアップ時で
は、低いゲインを有するが、この低いゲインの原因は、
低いパワーレベル時の高い共振器抵抗に起因している。
このスタートアップ時の低いゲインの問題は、共鳴素子
１２に直列に接続されたバラクタ１４のインピーダンス
によりさらに悪化する。バラクタ１４のキャパシタンス
は、ノード２３の電圧振幅の関数として変化するが、こ
の電圧振幅は、ライン２６上のユーザにより印加される
周波数制御信号の振幅を反映したものであり、発振の初
期状態を促進するためには必ずしも理想的な振幅でな
く、そのため信頼性あるスタートアップの条件が満たさ
れない。図１の発振器は、ライン１８上に基準信号が入
力され、この基準信号はバラクタのインピーダンスの指
定した値を表わす所定の振幅を有し、それが図１の発振
器回路のゲインを増加させる。この基準信号は、ライン
１８を介して信号選択装置２０の入力に接続され、この
信号選択装置２０の出力は、増幅器２２の入力にライン
２４を介して接続される。この増幅器２２は、ライン２
４上の信号の所定量の増幅あるいは減衰を与える。増幅
器２２の出力は、共鳴素子１２とバラクタ１４との間の
ノード２３に接続される。このノード２３の電圧レベル
は、増幅器２２の出力点の電圧振幅により決定され、そ
してこの増幅器２２の出力は基準信号のレベルによって
決定される。バラクタ１４のキャパシタンス値は、ノー
ド２３の電圧振幅の関数として変化し、その結果基準電
圧レベルの関数としても変化する。
【０００７】信号選択装置２０への他の入力は、ライン
２６上に現れる前述した周波数制御信号である。ユーザ
は、ライン２６上の周波数制御信号の振幅を設定する。
周波数制御信号が信号選択装置２０により選択される
と、この周波数制御信号の振幅がバラクタ１４のインピ
ーダンスを決定し、それが次に図１の回路の発信周波数
を決定する。従来発振周波数は、ユーザにより設定され
た周波数制御信号によってのみ決定されていた。周波数
制御信号の振幅と、バラクタ１４のキャパシタンスの大
きさは、幅広い範囲に亘って変更可能となる。ライン２
６の周波数制御信号の振幅が、バラクタ１４のインピー
ダンスが高くなるように設定されると、図１の発振器回
路のゲインは低くなり、この発振器回路の発振の開始は
信頼性がよくない。バラクタ１４のインピーダンスが適
切に設定され、信頼性よく発振を開始するために、ライ
ン１８上の電圧基準信号は適切な大きさを有し、その結
果バラクタ１４は、信頼性ある発振開始に充分な程度低
いインピーダンスを有する。そのためライン１８上の電
圧基準信号は、発振器のスタートアップ時にライン２６
上の周波数制御信号に置き代わる。具体的に説明する
と、信号選択装置２０は、発振器のスタートアップ時
に、ライン１８上の電圧基準信号を増幅器２２に入力さ
せる。かくしてノード２３の電圧振幅は、スタートアッ
プ時にはライン１８上の電圧基準信号の振幅の関数であ
る。かくして、バラクタ１４のインピーダンスは、発振
器を信頼性よくスタートアップさせる大きさに設定され
る。例えばバラクタ１４のインピーダンスは、それが最
大のキャパシタンスと最小のインピーダンスを有するよ
うなものである。一旦発振が図１の回路で開始されると
その後信号選択装置２０は増幅器２２，ノード２３への
入力としてライン１８上の電圧基準信号の代わりにライ
ン２６上の周波数制御信号で置換する。その後、この発
振器周波数はユーザにより選択された周波数制御信号の
振幅で制御される。
【０００８】図１の回路の発振は、リード３０に接続さ
れた発振検出回路２８により検出される。この発振検出
回路２８の出力は、信号選択装置２０の制御入力３３に
接続される。発振がリード３０で検出される前は発振検
出回路２８の出力は、信号選択装置２０に対し、ライン
１８上の電圧基準信号を増幅器２２の入力に印加するよ
う命令する。一旦発振が開始すると発振検出回路２８
は、信号選択装置２０に対しライン２６上の周波数制御
信号を増幅器２２に入力するよう命令する。
【０００９】リード３０上で発振の存在を検出するどの
ような回路も図１の回路に使用できる。例えば発振検出
回路２８は、リード３０に接続された入力を有し、リー
ド３０上の電気信号の周波数に正比例するＤＣ出力を生
成するハイパスフィルタでもよい。このＤＣ出力は、そ
の後比較回路内のしきい値レベルと比較されＤＣ出力が
しきい値以上の時には発振検出回路２８の出力に対し、
出力信号を生成し、それにより図１の回路の出力上の発
振の存在を検出する。
【００１０】ライン２６上の周波数制御信号を生成する
回路、あるいは、制御入力３３上の制御入力に応答して
ライン１８上に基準信号を生成するどのような回路も図
１の信号選択装置２０として使用することができる。例
えば、信号選択装置は、アナログマルチプレクサでもよ
い。
【００１１】図１に示した実施例においては、発振周波
数は、バラクタ１４のインピーダンスのみならず発振器
増幅器１０の入力インピーダンスによっても決定され
る。図１の回路は、発振器増幅器１０の入力インピーダ
ンスの実部と共鳴素子１２とバラクタ１４を含む共振器
インピーダンスの実部の和が０未満の時に発振する。定
状状態においては、発振器増幅器１０の入力インピーダ
ンスと、共鳴素子１２のインピーダンスと、バラクタ１
４のインピーダンスの実部と虚部の和は０である。発振
器増幅器１０の入力インピーダンスを変化させることに
より、共鳴素子１２のインピーダンスは、発振周波数を
変化させる、その理由は、発振器増幅器１０と共鳴素子
１２とバラクタ１４の各インピーダンスの和は、定状状
態では０のままでなければならないからである。そのた
め発振周波数は、発振器増幅器１０の入力インピーダン
スを変化させることにより変化する。図１の回路のゲイ
ンは、発振器増幅器１０の入力インピーダンスの振幅に
より決定される。発振器のスタートアップの信頼性は、
増幅器の入力インピーダンスの実部が低下する場合、例
えばスタートアップ時でより大きな負の値になる場合
に、改善される。図１の回路においては、発振器増幅器
１０の入力インピーダンスは、例えば、電圧−リアクタ
ンス制御素子３２のような入力インピーダンス決定装置
により決定される。この電圧−リアクタンス制御素子３
２は、発振器のスタートアップ時に制御され、その結果
増幅器は、充分に高いゲインとなるような入力インピー
ダンスを有し、そして発振器は容易に発振する。
【００１２】この周波数制御信号は、ライン３４を介し
て増幅器３６の入力に印加され、そしてこの増幅器３６
は、ライン３４上に現れる信号に対し所定の振幅あるい
は減衰を与える。増幅器３６の出力は、信号選択装置４
０のライン３８に接続されている。図１の回路が発振す
ると、周波数制御信号は、電圧−リアクタンス制御素子
３２のライン４２に信号選択装置４０を介して接続され
る。かくして、この周波数制御信号は、発振が開始した
後、図１の回路の発振周波数を制御する。しかし、スタ
ートアップ時では、周波数制御回路の値は、電圧−リア
クタンス制御素子３２の電圧が、発振器増幅器１０内で
高い入力インピーダンスを引き起こし、その結果図１の
回路に対し低いゲインとなり、このため発振動作の開始
が困難となる。図１の回路の発振の開始を促進するため
に、他の電圧基準信号がライン４４から信号選択装置４
０の他の入力に印加される。この信号選択装置４０は、
ライン４４上の電圧基準信号をスタートアップ時電圧−
リアクタンス制御素子３２に入力する。このライン４４
上の電圧基準信号の振幅は、電圧−リアクタンス制御素
子３２がセットされ信頼性ある発振を開始するために、
図１の回路内の充分なゲインを生成するような発振器増
幅器１０の入力インピーダンスとなる。ライン３４から
の周波数制御信号は、発振が一旦開始するとライン４４
上の電圧基準信号に取って代わる。この発振の開始は、
発振検出回路２８により検出されその出力は、制御ライ
ン４６により信号選択装置４０によりなされた選択を制
御する。
【００１３】信号選択装置２０と同様に制御ライン４６
上の制御入力に応じて、ライン３８上の信号あるいはラ
イン４４上の基準信号に関連するその出力上に、信号を
選択的に生成するいかなる回路も図１の信号選択装置４
０として使用できる。例えば信号選択装置は、アナログ
マルチプレクサでもよい。
【００１４】信頼性ある発振を開始するためにスタート
アップ時に充分なゲインを提供するために、発振器増幅
器１０に影響を及ぼすようなどのような要素も図１の電
圧−リアクタンス制御素子３２として用いることができ
る。例えば図２に示すように、発振時に用いられる周波
数制御信号とスタートアップ時に用いられる基準信号
は、発振器増幅器１０のバイアス電流を制御して充分な
ゲインを与えることができる。図２において、ライン４
２上の信号（図１のライン４２上の信号と同一）は、電
圧−電流コンバータ４８に入力されこの電圧−電流コン
バータ４８はライン５０上に電流出力を生成し、これ
は、ライン４２上の信号の振幅に関連し、すなわちライ
ン４２上の入力に比例した電流出力となる。ライン５０
上の電流は、必要に応じて発振器増幅器１０内のノード
５２に加えられたり引かれたりできる。このノード５２
は、定電流ソース５４からバイアス電流を受信する。発
振器増幅器１０内のバイアス電流の実際のレベルは、電
圧−電流コンバータ４８により生成される電流により変
更される定電流ソース５４からのバイアス電流である。
かくして発振器増幅器１０のゲインは、ライン３４上の
周波数制御信号あるいはライン４４上の電圧基準信号の
関数として、制御され発振の信頼性ある開始を与えるた
めにスタートアップ時に図１の回路のゲインを増加させ
る。図１，２に示した本発明の実施例は、バラクタの制
御と電圧−リアクタンス制御素子３２の増 幅器入力イン
ピーダンスの制御を同一の制御信号で行うようにした
が、これらは異なる制御信号で制御可能である。
【００１５】
【発明の効果】かくして図１に示した発振器回路におけ
る発振の開始は、スタートアップ状態における回路のゲ
インを増加させる本発明により改良される。発振器に用
いられる共振器回路のインピーダンスあるいは増幅器の
入力インピーダンスの一方あるいは、両方は、スタート
アップ時の所定の振幅になるよう制御されてゲインを増
加させる。
【００１６】特許請求の範囲に記載した発明の構成要件
の後の括弧内の符号は、構成要件と実施例と対応づけて
発明を容易に理解させる為のものであり、特許請求の範
囲の解釈に用いるべきのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発振器回路のブロック図
【図２】図１に示された電圧−リアクタンス制御装置の
実施例を表わすブロック図
【符号の説明】
１０ 発振器増幅器 １２ 共鳴素子 １４ バラクタ（可変キャパシタンス） １６，３０ リード １８，２４，２６，３４，３８，４２，４４，５０ ラ
イン ２０，４０ 信号選択装置 ２２，３６ 増幅器 ２３，５２ ノード ２８ 発振検出回路 ３２ 電圧−リアクタンス制御素子 ３３ 制御入力 ４６ 制御ライン ４８ 電圧−電流コンバータ ５３ 発振器の増幅壇 ５４ 定電流ソース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−155205（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−192803（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72891（ＪＰ，Ａ) 実開 昭50−43648（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03B 5/00 - 5/42

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （Ａ）制御信号（３３）に応答して発振
    器（１２）の動作周波数を設定する制御装置（１４，２
    ２）と、 （Ｂ）前記発振器（１０）の発振の開始を検出する手段
    （２８）と、 （Ｃ）前記検出手段（２８）に応答（３３）して、発振
    器（１０）がターンオンした時に、発振の開始を確保す
    る制御信号（１８，２６）の値を設定する手段（２０）
    とからなることを特徴とする発振開始時の発振特性を改
    良した発振器。
  2. 【請求項２】 前記制御装置（１４，２２）は、共振器
    部分（１２）にインピーダンス（１４）を有することを
    特徴とする請求項１の発振器。
  3. 【請求項３】 前記制御装置（１４，２２）は、増幅器
    入力インピーダンスを決定する装置（４０）を含むこと
    を特徴とする請求項１の発振器。
  4. 【請求項４】 前記制御装置（１４，２２）は、共振器
    部分（１２）のインピーダンスと入力インピーダンスを
    決定する増幅器部分（２２）とを含むことを特徴とする
    請求項１の発振器。
  5. 【請求項５】 （Ａ）ユーザが制御するインピーダンス
    を有する共振器部分（１２，１４）と、 （Ｂ）入力インピーダンスを有し、前記共振器部分に応
    答して、所定の周波数の発振器出力信号を生成する増幅
    器部分（１０）と、 （Ｃ）周波数制御信号の振幅に応じて、前記インピーダ
    ンスを変化させることにより所定の周波数を決定する周
    波数制御信号を受信する入力（２６）と、 （Ｄ）発振の開始を確保するゲインのレベルを表わす基
    準信号を受信する入力（１８）と、 （Ｅ）前記増幅器部分（１０）から発振出力信号を検出
    する回路（２８）と、 （Ｆ）前記周波数制御入力（２６）と基準信号入力（１
    ８）と検出回路からの出力（３３）に応答して、発振器
    のスタートアップ時に基準信号（１８）が前記インピー
    ダンスを制御し、前記検出回路により発振出力が検出さ
    れると周波数制御信号（２６）が前記インピーダンスを
    制御する信号選択装置（２０）とからなることを特徴と
    する発振器。
  6. 【請求項６】 （Ｇ）周波数制御信号の振幅に応じて増
    幅器（１０）の入力インピーダンスを変えることにより
    所定の周波数を決定する周波数制御信号を受信する第２
    入力（３４）と、 （Ｈ）発振の開始を確保するために、入力インピーダン
    スのレベルを表わす基準信号を受信する第３入力（４
    ４）と、 （Ｉ）前記第２入力（３４）と前記第３入力（４４）と
    検出回路の出力（４６）に応答して、発振器のスタート
    アップ時に、前記基準信号（４４）が前記増幅器部分の
    入力インピーダンスを制御し、検出回路により発振出力
    が検出された後は、前記周波数制御信号（３４）が増幅
    器部分の入力インピーダンスを制御するようにする信号
    選択装置（４０）とをさらに有することを特徴とする請
    求項５の発振器。
  7. 【請求項７】 発振器を制御する方法において、 前記発振器のスタートアップ時に、発振器の周波数制御
    信号（２６）を基準信号（１８）で置換するステップを
    有し、 前記基準信号は、発振を信頼性よく開始するために充分
    な振幅の発振器ゲインを表し、前記周波数制御信号は、
    ユーザが指令する発振周波数を表わすことを特徴とする
    発振器の制御方法。
  8. 【請求項８】 発振が開始した後は、基準信号（１８）
    を周波数制御信号（２６）で置換するステップをさらに
    有することを特徴とする請求項７の方法。
  9. 【請求項９】 （Ａ）発振を検出するステップ（２８）
    と、 （Ｂ）発振周波数を周波数制御信号の関数として制御す
    るために発振を検出した後、ユーザにより指定された周
    波数制御信号（２６）を発振器（１２）に印加するステ
    ップと、 （Ｃ）発振の開始を容易にするために発振器のゲインパ
    ラメータを増加するために発振が検出されないときは、
    基準信号（１８）を発振器に印加するステップとからな
    ることを特徴とする発振器の制御方法。
  10. 【請求項１０】 前記ゲインパラメータは、共振器回路
    （１２，１４）のインピーダンス値により決定されるこ
    とを特徴とする請求項９の方法。
  11. 【請求項１１】 前記インピーダンス値は、バラクタ
    （１４）に関連するものであることを特徴とする請求項
    １０の方法。
  12. 【請求項１２】 前記インピーダンス値は、発振器の増
    幅器（１０）の入力インピーダンス（３２）に関連する
    ことを特徴とする請求項１０の方法。
  13. 【請求項１３】 前記インピーダンス値は、バラクタ
    （１４）のインピーダンスと発振器内の増幅器（１０）
    の入力インピーダンスに関連することを特徴とする請求
    項１１の方法。
  14. 【請求項１４】 （Ａ）増幅器部分（１０）と、 （Ｂ）前記増幅器部分（１０）の入力（１６）に接続さ
    れるバラクタ（１４）と直列に接続される水晶共振器
    （１２）とからなる共振器部分と、 （Ｃ）指定された発振周波数を表わす周波数制御電圧を
    受信する第１入力（２６）と、 （Ｄ）信頼性ある発振の開始を確保するために発振器と
    関連した所定のゲインを表わす電圧基準信号を受信する
    第２入力（１８）と、 （Ｅ）前記発振器内の発振検出器（２８）と、 （Ｆ）前記検出器に応答して発振が検出されたときには
    第１入力（２６）を前記バラクタに接続し、発振が検出
    されないときには、第２入力（１８）をバラクタに接続
    する切り換え手段（２０）とからなることを特徴とする
    電圧制御発振器。
  15. 【請求項１５】 （Ａ）入力インピーダンス決定素子を
    有する増幅器部分（１０）と、 （Ｂ）前記増幅器部分（１０）の入力に接続され、バラ
    クタ（１４）と直列に接続された水晶共振器（１２）を
    有する共振器部分と、 （Ｃ）指定された発振周波数を表わす第１周波数制御信
    号を受信する第１入力（２６）と、 （Ｄ）発振器の第１所定ゲインを表わす第１電圧基準信
    号を受信する第２入力（１８）と、 （Ｅ）発振器の発振を検出する発振検出器（２８）と、 （Ｆ）前記検出器に応答して発振が検出されたときに
    は、増幅器部分の入力インピーダンス決定要素に第１入
    力（２６）を接続し、発振が検出されないときには第２
    入力（１８）を前記入力インピーダンス決定素子に接続
    する第１スイッチ（２０）と、 （Ｇ）指定された発振周波数を表わす第２周波数制御信
    号を受信する第３入力（３４）と、 （Ｈ）発振器に関連する第２所定ゲインを表わす第２電
    圧基準信号を受信する第４入力（４４）と、 （Ｉ）前記検出器に応答して発振が検出されたときには
    前記第３入力をバラクタに接続し、発振が検出されない
    ときには、前記第４入力をバラクタに接続する第２スイ
    ッチ（４０）とからなることを特徴とする電圧制御発振
    器。
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